JP2001023988A

JP2001023988A - 半導体装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001023988A
Application number: JP11199452A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Kogure; 直明小榑; Kuniaki Horie; 邦明堀江; Toru Satake; 徹佐竹
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって配線層を形
成する場合においても、該配線層を下地の拡散抑制（バ
リヤ）層と強固に接合することができる半導体装置及び
その製造方法を提供する。【解決手段】拡散抑制（バリヤ）層２に近接して配線
層４を有する構造を内部に持つ半導体装置に於いて、拡
散抑制（バリヤ）層２との接合部に拡散抑制（バリヤ）
層２の構成元素の全て又は一部と配線層４の構成元素の
全て又は一部とが、一定の又は位置によって零から特定
の有限値までの範囲で変化する比率で、互いに組合わさ
れることによって生じた薄い中間層３が介在している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に係り、特に半導体基板に形成された配線用
の微細な凹部に銅（Ｃｕ）等の金属を充填した半導体装
置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板上に配線回路を形成するため
の金属材料としては、アルミニウムまたはアルミニウム
合金が一般に用いられているが、近年、銅を用いる動き
が顕著となっている。これは、銅の電気抵抗率は、１．
７２μΩｃｍとアルミニウムの電気抵抗率より４０％近
く低いので、信号遅延現象に対して有利となるばかりで
なく、銅のエレクトロマイグレーション耐性が現用のア
ルミニウムより遙かに高く、しかもアルミニウムの場合
よりもデュアルダマシンプロセスを採用し易いので、複
雑で微細な多層配線構造を相対的に安価に製造できる可
能性が高い等の理由による。

【０００３】ここで、デュアルダマシン法によって配線
溝とビアホールに同時に銅等の金属を埋込む方法として
は、ＣＶＤ、スパッタリフロー、めっきの３つの
手法がある。これらの手法のうち、めっき法は、微細な
凹部内への埋込み性が良く、比較的容易で安価なプロセ
スによって安定した埋込みを可能とするので、少なくと
も０．１８μｍ世代でこれを半導体量産ラインに組み込
むことは常識化しつつある。即ち、図１は、半導体の多
層配線形成工程の一例として、半導体基板に設けた微細
な凹み内に拡散抑制（バリヤ）層を形成し、該拡散抑制
（バリヤ）層を下地として、更に配線層を構成する材料
を凹み内表面に被覆するか、又は凹み内部に充填する工
程の流れ図（例）を示す。

【０００４】ここでこの流れ図に応じた、下地の拡散抑
制（バリヤ）層と、その上に堆積する配線層材料の組合
せの如何に起因した配線層の下地に対する相互接合力を
検討する。表１は拡散抑制（バリヤ）層と配線層の材質
及び形成方法を種々に変えた場合の両者の接合力につい
てまとめている。

【０００５】

【表１】

【０００６】表１から明らかなように、配線層の材料を
ＣＶＤで形成した場合、拡散抑制（バリヤ）層との間に
働く接合力はほとんど零になるという大きな難点を有し
ている。

【０００７】拡散抑制（バリヤ）層と配線層との相互間
の接合が弱く密着性が低い場合、以下の２点の重大な不
具合が存在する。即ち、表面平坦化（ＣＭＰによる研摩）工程で負荷する機械
的外力によって、配線層が所定の凹み内部で移動したり
剥離・脱落したりする危険性が大きい。更に、銅表面ではアルミニウムの場合と異なって安定な酸化
膜の形成が困難なので、表面や界面を銅原子が移動し易
くなる結果、エレクトロマイグレーション耐性を損なう
度合が大きい。

【０００８】従って、銅配線構造における拡散抑制（バ
リヤ）層と配線層が互いに密着し、高い接合力を保持す
ることは極めて重要な条件となっている。にも拘らず、
表１でも記したように、実際の製造プロセスに於いて、
特に導電材料を化学気相蒸着法（ＣＶＤ）によって堆積
・埋込みする場合、その接合力は一般にほとんど零に等
しくなることが経験から明らかとなっている。この理由
としてよく言及されているのが、拡散抑制（バリヤ）層
表面にもともと存在する極薄酸化層の存在であり、該酸
化膜の介在によって、拡散抑制（バリヤ）層と配線層を
構成する原子同士の直接接触が不可能になる（酸化膜以
外に付着汚染物や、異物が界面に存在する場合も同様で
ある）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みて為されたもので、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によ
って配線層を形成する場合においても、該配線層を下地
の拡散抑制（バリヤ）層と強固に接合することができる
半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、拡散抑制（バリヤ）層に近接して配線層を有
する構造を内部に持つ半導体装置に於いて、該拡散抑制
（バリヤ）層との接合部に該拡散抑制（バリヤ）層の構
成元素の全て又は一部と配線層の構成元素の全て又は一
部とが、一定の又は位置によって零から特定の有限値ま
での範囲で変化する比率で互いに組合わされることによ
って生じた物質、例えば混合物、固溶体、合金、又は化
合物等から成る単なる熱拡散以外の工程を経て生じた薄
い中間層が介在していることを特徴とする半導体装置で
ある。

【００１１】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
下地層に近接して配線層を有する構造を内部に持つ半導
体装置の配線層を化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって形成
する方法に於いて、配線層を堆積すべき下地層の形成を
大気に非接触の雰囲気で行ない、引き続き大気に曝露す
ることを回避したままの状態で化学気相蒸着（ＣＶＤ）
による配線層の形成までを完了することを特徴とする。

【００１２】ここで、２つの物体が互いに接合（凝着）
する機構について考察すると、両者が互いに接触すると
いうことは、＝少なくとも原子間距離程度まで近付く＝
「真実接触する」必要がある。真実接触部分では互いの
構成原子同士が、互いに原子間力を及ぼす距離まで近づ
くので極く局所的には接合（＝凝着）が生じていると考
えられる。それに続いて、周囲温度が十分高ければ両物
体の構成原子が局所的接合部を通過経路として相手側へ
相互拡散して、混合状態を形成する。ここで熱活性化過
程の助けを受けて混合状態よりも熱力学的に安定的な固
溶体（合金）又は化合物を形成し、同時に夫々の物質内
部で自己拡散が促進することによって相互接触面積を増
加することが出来れば完全に接合したことになる。これ
に反して、もし、接合すべき対象の一方の表面に酸化
膜、付着層や異物が存在すれば所望の原子同士の接近が
阻害されるので強固な接合は妨げられる。

【００１３】拡散抑制（バリヤ）層の表面は一般に安定
かつ緻密な酸化膜で覆われた状態となっているので、該
拡散抑制（バリヤ）層上に化学気相蒸着（ＣＶＤ）法に
よって配線層を形成したとしても、上述したように、そ
の接合力はほぼ零に近い状態になる。実際にタングステ
ン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等の耐熱
金属は非常に酸化し易く、表面酸化膜を伴い易いことが
わかっている。

【００１４】従って、拡散抑制（バリヤ）層の形成後に
大気との接触を完全に断った状態で化学気相蒸着（ＣＶ
Ｄ）によって、中間層を介して配線層を形成することに
よって、酸化膜の生成や有害な付着物、又は異物等によ
る汚染を排除した、内部接合力の大きな半導体装置を提
供することができる。その具体的手順として以下の段階
的操作を含む。拡散抑制（バリヤ）層形成後、大気雰囲気と基材との
接触を排除した条件下で最終的に保護膜までを形成す
る。拡散抑制（バリヤ）層形成後、大気雰囲気と基材との
接触を排除した条件下で配線層を形成する。

【００１５】では、拡散抑制（バリヤ）層を形成した
後、大気雰囲気を排除した状態のままで最終的に、大気
を遮断するための保護膜を該バリヤ層の上に形成する。
例えば窒化タンタル（ＴａＮ）の膜をスパッタリングに
よって成膜した場合、同一チャンバ内か又は、途中の搬
送中に大気を遮断した状態で他のチャンバに移動し、該
チャンバ内で銅（Ｃｕ）を一定の厚さに堆積すれば銅に
よる保護膜を形成できる。銅の成膜法はここではスパッ
タリングでもＣＶＤでもどちらでも良い。実際上は、同
一チャンバで行う場合はスパッタリング法で成膜するの
が容易であり、別のチャンバで行う場合はスパッタリン
グと、化学気相蒸着（ＣＶＤ）のうちどちらによって成
膜してもよい。

【００１６】次に、では拡散抑制（バリヤ）層を形成
した後、大気に非接触の状態を保持したまま、化学気相
蒸着（ＣＶＤ）によって銅（Ｃｕ）による埋込みを完了
する。従ってでは同一チャンバを利用して拡散抑制
（バリヤ）層自体もスパッタリングに替り、化学気相蒸
着（ＣＶＤ）法によって行う方が手間が省けるので都合
が良い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図２は、本発明の実施の形態の半
導体装置の構成を模式的に示すものである。

【００１８】先ず、半導体基板Ｗの半導体基材上に堆積
したＳｉＯ_２からなる絶縁膜１に、リソグラフィ・エッ
チング技術により配線用の微細な凹部を形成し、この表
面に、例えば窒化タンタル（ＴａＮ）等からなる拡散抑
制（バリア）層２を形成する。拡散抑制（バリヤ）層が
窒化タンタル（ＴａＮ）の場合を例にとって、これを化
学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって成膜する場合は、タン
タル（Ｔａ）を含む原料としては、例えば、ペンタジメ
チルアミノタンタル〔（ＣＨ_３）_２Ｎ〕_５Ｔａを使用出
来る。これは常温で固体状の物質であって、昇華は圧力
０．１Torrで温度８０℃の条件で生じ、ガス化出来るの
で、これをＣＶＤ装置内で成膜に用いれば良い。

【００１９】従って、拡散抑制（バリヤ）層とそれに続
く中間層の形成及び配線層の堆積、及び／又は充填を共
に化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって行うことになるの
で、同一チャンバ内での原料ガスの切換え又は、クラス
タ装置内の近接チャンバ間の移動によって基材の大気曝
露を一切排除した状態で、一連の操作が実施出来る。従
って、好効率なプロセスを実施出来る。即ち、拡散抑制
層の表面に酸化膜を生じたり、汚染や異物の付着を起こ
すことなく健全な膜形成が可能となる。

【００２０】次に拡散抑制（バリヤ）層２と配線層４の
接合部に、各々の元素組成の中間的組成をもった薄膜３
をはさむ必要性について説明する。上述したように、互
いに接近する２物質が良好な接合状態を得るためには、
物質２，４が互いに原子間距離程度の範囲内に近付くこ
とが必要になる。他方、接合した２つの物質は一般に異
なる熱膨張率を持っているので、温度変動によって相互
間に熱応力が生じる結果、両者の接合を破壊しようとす
る作用を起し、熱応力が一定以上に大きい場合には、接
合面付近で分離・剥離・き裂発生等による損傷を発生す
ることがある。

【００２１】然るに、該２物質２，４の間に夫々の中間
的組成の合金・混合物層３等を接合・介在させておけ
ば、両物質間の熱膨張率の急変を緩和することが出来る
ので、昇・降温に伴って生じる熱応力を低減することが
可能となる。従って、２物質が分離・断裂する危険性を
大幅に低減することが出来る。更に、該中間層３の構成
原子組成がその位置によって連続的に変化すれば、熱膨
張率もそれに伴って連続的に変化することになるので、
成膜後の冷却に伴って生じる熱応力を緩和する度合はま
すます大きくなる。また、中間層をタングステン
（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）等の純金属
で形成すれば、これらの純金属は配線層材料の銅（Ｃ
ｕ）と金属結合をすることが出来るので相互の密着性は
大幅に改善する。

【００２２】前述の中間組成の層を形成するためには、
スパッタリングや化学気相蒸着（ＣＶＤ）に於いて、タ
ーゲット材質、ガス種、濃度、動作時間、流量、温度、
圧力等を必要に応じて調整すれば良い。図２に示すよう
に、拡散抑制（バリヤ）層２と配線層４の間に中間組成
の層３を配設して、その後に配線層４である銅（Ｃｕ）
等の高導電金属を埋込む。今、拡散抑制（バリヤ）層２
を窒化タンタル（ＴａＮ）、配線層４を銅（Ｃｕ）で形
成する場合、前述の本発明に基づく中間層３の一実施例
としてはＴａＮとＣｕをある比率で混合した成分から構
成する。或は、前述のように中間層を単体のタンタル
（Ｔａ）から構成しても良い。

【００２３】尚、基板上に薄膜を形成した場合、一般的
に薄膜には応力が生じるが、応力発生原因には２つが考
えられる。その一つは熱応力であり、膜同士又は膜と基
板の熱膨張係数の差によって発生する。他方、薄膜はそ
の成長条件に特有の応力を生じることが判っており、こ
れを内部応力（発生機構は未解明）といい、普通成膜温
度が低いほど高くなる。以上によって薄膜に生じる全応
力は、熱応力と内部応力を加算したものになる。複数の
材質の膜が互いに接合している場合、各々の膜の化学組
成が近い方が、両者の内部応力の差による構造全体の変
形・剥離性は低くなると考えられる。また、本発明の場
合、膜の形成は高温で実施されるので、内部応力よりも
熱応力の方を重視する必要がある。

【００２４】本発明の半導体装置を製造する成膜装置の
具体例、及び、製造手順例の一部を各々、図３及び４に
示す。図３は成膜装置の一例の概要を示す図であり、中
央にロボット室１０が配置され、その周囲にＴａＮ、Ｃ
ｕ等を成膜する化学気相蒸着（ＣＶＤ）成膜室１１、ス
パッタリング成膜室１２、熱処理室１３、冷却室１４、
待機室１５、ロードロック室１６等が配置されている。
半導体ウェハ等の基材は保管室１７からロードロック室
を介して中央ロボット室１０に配置されたロボットによ
り、各室に移送される。各室はいずれも真空排気系とゲ
ートバルブを備え、大気と隔離した状態で処理が行なわ
れるようになっている。ＣＶＤ成膜室１２においては、
原料供給源１９から原料ガスが供給され、スパッタリン
グ成膜室及び熱処理室においても雰囲気を形成するガス
がガス源２０から供給される。

【００２５】図４は、中間層形成を含む配線層形成の製
造手順例を示す。上述したように拡散抑制（バリヤ）層
が窒化タンタル（ＴａＮ）の場合には、これを化学気相
蒸着（ＣＶＤ）法によって、例えば、ペンタジメチルア
ミノタンタル〔（ＣＨ_３）_２Ｎ〕_５Ｔａを８０℃程度の
加熱雰囲気にすることによって、成膜することができ
る。次に、この窒化タンタル（ＴａＮ）の成膜材料と銅
（Ｃｕ）の成膜材料を合わせて供給して２００℃程度の
加熱雰囲気にすることで、中間層を形成できる。この際
に、窒化タンタル（ＴａＮ）の成膜材料と銅（Ｃｕ）の
成膜材料の供給比率を時間的に変化させることによっ
て、下地側では窒化タンタル（ＴａＮ）が１００％であ
り、配線層側では銅（Ｃｕ）が１００％となるように中
間層の膜質を連続的に変化することができる。同様に窒
化タンタル（ＴａＮ）及び銅（Ｃｕ）の成膜材料に代え
て単体のタンタル（Ｔａ）の成膜材料を供給することに
よって、中間膜として単体のタンタル（Ｔａ）の成膜を
行うこともできる。

【００２６】図５は、本発明による半導体装置の断面組
成の組合せの例を模式的に示す。尚、図５は配線層４、
及び拡散抑制（バリヤ）層２の材質が各々、銅（Ｃ
ｕ）、窒化タンタル（ＴａＮ）の場合を描いている。こ
こで図５（ａ）は、中間層の組成が一定の場合を示す。
拡散抑制（バリヤ）層２は、ＴａＮであり、配線層４は
Ｃｕであり、中間層３はＴａＮ−Ｃｕである。図５
（ｂ）は中間層の組成が連続的に変化をしている場合を
示し、中間層３はＴａＮとＣｕの混合物であり、拡散抑
制（バリヤ）層との界面ではＣｕ濃度はゼロであるが配
線層（Ｃｕ）との界面ではＣｕ濃度が１００％に上昇し
ている。また、図５（ｃ）は中間層の組成が単体金属の
場合を示し、拡散抑制（バリヤ）層２はＴａＮであり、
配線層４はＣｕであり、中間層３は単体金属としてＴａ
が用いられている。

【００２７】また、拡散抑制（バリヤ）層は、タンタル
（Ｔａ）、又はチタン（Ｔｉ）、又はタングステン
（Ｗ）等の単体金属か、又はこれら単体金属の夫々の窒
化物又は、窒珪化物が好適であり、中間層は夫々の単体
金属だけから成るようにしてもよい。

【００２８】このような中間層の種類及び厚さ等によ
り、配線層と拡散抑制（バリヤ）層との接合力及び接合
安定性は微妙に変化するが、用途等に応じて適宜使い分
ける様にすればよい。いずれにしても、中間層の存在に
より配線層と拡散抑制（バリヤ）層内部に生じる応力を
緩和して、両者間の接合安定性を飛躍的に高めることが
できる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、拡
散抑制（バリヤ）層と配線層との間に中間層を介在させ
ることによって、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって形成
した配線層の下地との接合性を著しく改善することがで
きる。これにより、化学気相蒸着（ＣＶＤ）により形成
した、Ｃｕ材等の埋込み配線が下地との密着性が悪いと
いう不具合を解決することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】拡散抑制（バリヤ）層の形成から配線層の埋込
みに到る工程のフローを示す図である。

【図２】本発明の実施の形態の拡散抑制（バリヤ）層と
配線層の間に中間組成の層を配設したことを示す図であ
る。

【図３】成膜装置の一例を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態の製造方法の一例を示すフ
ロー図である。

【図５】中間層の各種の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１絶縁膜２拡散抑制（バリア）層３中間層４配線層

【手続補正書】

【提出日】平成１１年８月２３日（１９９９．８．２
３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【請求項２】前記配線層の材質は銅（Ｃｕ）で、これ
を、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で形成しており、更に拡
散抑制（バリヤ）層はタンタル（Ｔａ）、又はチタン
（Ｔｉ）、又はタングステン（Ｗ）等の純金属か、又は
これら純金属の夫々の窒化物又は、窒珪化物から成るこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

【請求項３】前記拡散抑制（バリヤ）層がタンタル
（Ｔａ）、又はチタン（Ｔｉ）、又はタングステン
（Ｗ）等の純金属の夫々の窒化物、又は、窒珪化物から
成る半導体装置に於いて、中間層は夫々の純金属だけか
ら成ることを特徴とする請求項２記載の半導体装置。

【請求項４】下地層に近接して配線層を有する構造を
内部に持つ半導体装置の配線層を化学気相蒸着（ＣＶ
Ｄ）によって形成する方法に於いて、配線層を堆積すべ
き下地層の形成を大気に非接触の雰囲気で行ない、引き
続き大気に曝露することを回避したままの状態で化学気
相蒸着（ＣＶＤ）による配線層の形成までを完了するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。

【請求項５】前記配線層の材質は銅（Ｃｕ）であり、
また、その下地層は拡散抑制（バリヤ）層であって、該
下地層からタンタル（Ｔａ）、又はチタン（Ｔｉ）、又
はタングステン（Ｗ）等の純金属か、又はこれら純金属
の夫々の窒化物、又は窒珪化物から成る中間層を形成し
て、その後に配線層を形成するように段階的操作を行う
ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方
法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者佐竹徹神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内Ｆターム(参考） 4M104 BB14 BB17 BB18 BB25 BB27 BB28 BB30 BB32 BB33 DD37 DD43 DD52 DD53 FF16 HH08 5F033 HH11 HH18 HH19 HH21 HH27 HH28 HH30 HH32 HH33 HH34 MM01 MM12 MM13 PP01 PP06 PP15 PP27 PP28 QQ98 XX13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散抑制（バリヤ）層に近接して配線層
を有する構造を内部に持つ半導体装置に於いて、該拡散
抑制（バリヤ）層との接合部に該拡散抑制（バリヤ）層
の構成元素の全て又は一部と配線層の構成元素の全て又
は一部とが、一定の又は位置によって零から特定の有限
値までの範囲で変化する比率で、互いに組合わされるこ
とによって生じた薄い中間層が介在していることを特徴
とする半導体装置。
【請求項２】前記中間層はその元素構成率が配線層方
向の位置に関して連続的に変化するものであることを特
徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】前記配線層の材質は銅（Ｃｕ）で、これ
を、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法で形成しており、更に拡
散抑制（バリヤ）層はタンタル（Ｔａ）、又はチタン
（Ｔｉ）、又はタングステン（Ｗ）等の純金属か、又は
これら純金属の夫々の窒化物又は、窒珪化物から成るこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置。
【請求項４】前記拡散抑制（バリヤ）層がタンタル
（Ｔａ）、又はチタン（Ｔｉ）、又はタングステン
（Ｗ）等の純金属の夫々の窒化物、又は、窒珪化物から
成る半導体装置に於いて、中間層は夫々の純金属だけか
ら成ることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項５】前記拡散抑制（バリヤ）層が窒化タンタ
ル（ＴａＮ）、配線層が銅（Ｃｕ）から成り、両者の間
に存在する中間層がタンタル（Ｔａ）であることを特徴
とする請求項３記載の半導体装置。
【請求項６】下地層に近接して配線層を有する構造を
内部に持つ半導体装置の配線層を化学気相蒸着（ＣＶ
Ｄ）によって形成する方法に於いて、配線層を堆積すべ
き下地層の形成を大気に非接触の雰囲気で行ない、引き
続き大気に曝露することを回避したままの状態で化学気
相蒸着（ＣＶＤ）による配線層の形成までを完了するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記配線層の材質は銅（Ｃｕ）であり、
また、その下地層は拡散抑制（バリヤ）層であって、該
下地層からタンタル（Ｔａ）、又はチタン（Ｔｉ）、又
はタングステン（Ｗ）等の純金属か、又はこれら純金属
の夫々の窒化物、又は窒珪化物から成る中間層を形成し
て、その後に配線層を形成するように段階的操作を行う
ことを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項８】前記下地層及び中間層は、化学気相蒸着
（ＣＶＤ）法で形成したものであることを特徴とする請
求項７記載の半導体装置の製造方法。